کدام آب سریعتر یخ می زند، گرم یا سرد، تحت تأثیر عوامل زیادی است، اما خود این سؤال کمی عجیب به نظر می رسد. به طور ضمنی و از علم فیزیک نیز مشخص است که آب گرم هنوز به زمان نیاز دارد تا تا دمای آب سرد مشابه خنک شود تا به یخ تبدیل شود. با آب سرد می توان از این مرحله گذشت و بر این اساس به موقع برنده شد.
اما پاسخ به این سوال که کدام آب در خیابان در یخبندان سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم - هر ساکن در عرض های شمالی می داند. در واقع، از نظر علمی، معلوم می شود که در هر صورت، آب سرد باید سریعتر یخ بزند.
همچنین معلم فیزیک که در سال 1963 توسط دانش آموز Erasto Mpemba با او تماس گرفت تا توضیح دهد که چرا مخلوط سرد بستنی آینده طولانی تر از همان زمان، اما داغ یخ می زند.
این فیزیک جهانی نیست، بلکه نوعی فیزیک Mpemba است
در آن زمان، معلم فقط به این موضوع خندید، اما دنیس آزبورن، استاد فیزیک، که زمانی به همان مدرسه ای می رفت که اراستو در آن تحصیل می کرد، به طور تجربی وجود چنین تأثیری را تأیید کرد، اگرچه وجود داشت. هیچ توضیحی برای این پس در سال 1969 یک مجله علمی مشهور مقاله مشترکی از دو مرد منتشر کرد که این اثر عجیب و غریب را توصیف کردند.
از آن زمان، اتفاقاً، این سؤال که کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد، نام خاص خود را دارد - اثر یا پارادوکس، Mpemba.
این سوال خیلی وقت پیش مطرح شد
طبعاً چنین پدیده ای قبلاً نیز وجود داشته است و در آثار دانشمندان دیگر نیز به آن اشاره شده است. نه تنها یک دانش آموز به این سؤال علاقه داشت، بلکه فرانسیس بیکن، رنه دکارت و حتی ارسطو در یک زمان به آن فکر کردند.
این فقط رویکردهای حل این پارادوکس است که در پایان قرن بیستم شروع شد.
شرایط وقوع پارادوکس
همانند بستنی، فقط آب معمولی نیست که در طول آزمایش یخ می زند. برای شروع بحث در مورد اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم - باید شرایط خاصی وجود داشته باشد. چه چیزی بر این فرآیند تأثیر می گذارد؟
اکنون، در قرن بیست و یکم، چندین گزینه مطرح شده است که می تواند توضیح دهد.این پارادوکس اینکه کدام آب سریعتر یخ می زند، گرم یا سرد، ممکن است به این واقعیت بستگی داشته باشد که آب گرم نرخ تبخیر بالاتری نسبت به آب سرد دارد. بنابراین، حجم آن کاهش می یابد و با کاهش حجم، زمان انجماد کمتر از زمانی است که حجم اولیه مشابهی از آب سرد مصرف کنید.
فریزر برای مدت طولانی یخ زدایی شده است
کدام آب سریعتر یخ می زند و چرا یخ می زند، می تواند تحت تأثیر پوشش برفی که ممکن است در فریزر یخچال مورد استفاده برای آزمایش باشد، قرار گیرد. اگر دو ظرف را بردارید که از نظر حجم یکسان هستند، اما یکی از آنها آب گرم و دیگری آب سرد داشته باشد، ظرف آب گرم، برف زیر خود را آب می کند و در نتیجه تماس سطح حرارتی با دیواره یخچال بهبود می یابد. ظرف آب سرد نمی تواند این کار را انجام دهد. اگر چنین پوششی با برف در محفظه یخچال وجود نداشته باشد، آب سرد باید سریعتر یخ بزند.
بالا - پایین
همچنین پدیده ای که آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد - به شرح زیر توضیح داده شده است. با پیروی از قوانین خاصی، آب سرد از لایه های بالایی شروع به یخ زدن می کند، زمانی که آب گرم این کار را برعکس انجام می دهد - از پایین به بالا شروع به یخ زدن می کند. به نظر می رسد که آب سرد، داشتن یک لایه سرد در بالای آن با یخ که قبلاً در برخی مکان ها تشکیل شده است، بنابراین فرآیندهای همرفت و تشعشع حرارتی را مختل می کند، در نتیجه توضیح می دهد که کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم. عکس از آماتورآزمایش‌ها پیوست شده‌اند، و این به وضوح در اینجا قابل مشاهده است.
گرما بیرون می آید، به سمت بالا می رود، و در آنجا با یک لایه بسیار سرد برخورد می کند. هیچ مسیر آزاد برای تشعشع گرما وجود ندارد، بنابراین فرآیند خنک سازی دشوار می شود. آب گرم مطلقاً چنین موانعی در مسیر خود ندارد. کدامیک سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم، که نتیجه احتمالی به آن بستگی دارد، می توانید پاسخ را با گفتن اینکه هر آبی دارای مواد خاصی در آن حل شده است، بسط دهید.
ناخالصی در ترکیب آب به عنوان یک عامل مؤثر بر نتیجه
اگر تقلب نکنید و از آب با همان ترکیب استفاده کنید، جایی که غلظت برخی از مواد یکسان است، آب سرد باید سریعتر یخ بزند. اما اگر شرایطی رخ دهد که عناصر شیمیایی محلول فقط در آب گرم وجود داشته باشند، در حالی که آب سرد آنها را ندارد، آب گرم این فرصت را دارد که زودتر یخ بزند. این امر با این واقعیت توضیح داده می شود که مواد محلول در آب، مراکز تبلور ایجاد می کنند و با تعداد کمی از این مراکز، تبدیل آب به حالت جامد دشوار است. حتی ابرسرد کردن آب نیز امکان پذیر است، به این معنا که در دماهای زیر صفر در حالت مایع خواهد بود.
اما همه این نسخه ها ظاهراً به طور کامل برای دانشمندان مناسب نبودند و آنها به کار روی این موضوع ادامه دادند. در سال 2013، تیمی از محققان در سنگاپور گفتند که این معمای قدیمی را حل کرده اند.
گروهی از دانشمندان چینی ادعا می کنند که راز این اثر در مقدار انرژی ذخیره شده بین مولکول های آب در پیوندهای آن است که پیوند هیدروژنی نامیده می شود.
سرنخ از دانشمندان چینی
اطلاعات زیر در ادامه خواهد آمد که برای درک آن باید دانشی در شیمی داشته باشید تا بفهمید کدام آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد. همانطور که می دانید، یک مولکول آب از دو اتم H (هیدروژن) و یک اتم O (اکسیژن) تشکیل شده است که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل می شوند.
اما اتم های هیدروژن یک مولکول به مولکول های همسایه، به جزء اکسیژن آنها نیز جذب می شوند. این پیوندها هستند که پیوند هیدروژنی نامیده می شوند.
شایان ذکر است که در همان زمان، مولکول های آب به طور دافعه بر روی یکدیگر عمل می کنند. دانشمندان خاطرنشان کردند که وقتی آب گرم می شود، فاصله بین مولکول های آن افزایش می یابد و این توسط نیروهای دافعه تسهیل می شود. معلوم می شود که پیوندهای هیدروژنی، که یک فاصله بین مولکول ها را در حالت سرد اشغال می کنند، می توان گفت که کشیده شده اند و منبع انرژی بیشتری دارند. این ذخیره انرژی است که وقتی مولکول های آب شروع به نزدیک شدن به یکدیگر می کنند آزاد می شود، یعنی خنک شدن اتفاق می افتد. به نظر می رسد که منبع انرژی بیشتر در آب گرم و آزاد شدن بیشتر آن هنگام خنک شدن تا دمای زیر صفر، سریعتر از آب سرد که چنین منبعی دارد اتفاق می افتد.انرژی کمتر بنابراین کدام آب سریعتر یخ می زند - سرد یا گرم؟ پارادوکس Mpemba باید بیرون و در آزمایشگاه اتفاق بیفتد و آب داغ باید سریعتر به یخ تبدیل شود.
اما هنوز باز است
فقط تأیید نظری این سرنخ وجود دارد - همه اینها با فرمول های زیبا نوشته شده اند و قابل قبول به نظر می رسند. اما زمانی که داده های تجربی که آب سریعتر یخ می زند - گرم یا سرد - به معنای عملی قرار داده شود و نتایج آنها ارائه شود، آنگاه می توان سؤال پارادوکس Mpemba را بسته در نظر گرفت.
